(57)【要約】【課題】  複数の受光素子による受光感度を同程度にし、かつ、不要な波長帯域の光強度をほぼ同じ状態にして演算回路で除去することにより、カラーイメージセンサや可視光の照度センサとし得るように所望の波長での光強度を正確に検出することができる受光素子を有する集積回路を提供する。【解決手段】  ｐ型の半導体基板１上にほぼ均一な厚さのｎ型半導体層２が設けられ、そのｎ型半導体層２の異なる場所に、ｎ型半導体層２の表面から複数個（第１〜第３）のｐ型領域３１〜３３が異なる深さで設けられることにより、複数個（第１〜第３）の受光用ｐｎ接合ダイオードＤ１〜Ｄ３が形成されている。そして、複数個の受光用ｐｎ接合ダイオードＤ１〜Ｄ３の検出電流を演算することにより異なる深さのｐｎ接合に対応する波長の光を検出する演算回路が半導体基板１上に形成されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に設けられるほぼ均一な厚さの第１導電型半導体層と、該第１導電型半導体層の異なる場所に、該第１導電型半導体層の表面から第２導電型領域が異なる深さで設けられることにより形成される複数個の受光用ｐｎ接合ダイオードと、前記基板上に形成され、前記複数のｐｎ接合ダイオードの検出電流を演算することにより前記異なる深さのｐｎ接合に対応する波長の光を検出する演算回路とを具備することを特徴とする半導体受光素子を有する集積回路。
【請求項２】
前記複数の受光用ｐｎ接合ダイオードのｐｎ接合面積がほぼ等しくなるように形成されてなる請求項１記載の半導体受光素子を有する集積回路。
【請求項３】
前記複数の受光用ｐｎ接合ダイオードが、チップ周囲からの距離がほぼ同じ場所になるように形成されてなる請求項１または２記載の半導体受光素子を有する集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の検出や光量測定、撮像装置等に用いる半導体受光素子を有する集積回路に関する。さらに詳しくは、カラーイメージセンサや照度センサなどに用いることができるように、異なる波長の光、または特定の波長の光の強度をそれぞれ正確に検出することができる構造の半導体受光素子を有する集積回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
光センサ用装置や撮像装置等の一部である受光素子として半導体ｐｎ接合ダイオードが広く用いられている。この半導体受光素子は、第１の導電型の半導体層を有する基板上に第２の導電型の半導体層を形成してｐｎ接合が形成されている。このｐｎ接合に逆方向の電位を印加して空乏層を作り、光を空乏層に導入することで、光によるキャリアが誘起され、その電流を測定することで光の強度情報を得ることができる。この場合、青色のように波長の短い光ほど半導体層の表面近くで減衰しやすいこと、半導体のバンドギャップ以下のエネルギーである長波長の光に対しては感度を有しないこと、という性質を有しているため、その光の強度は波長依存性があり、とりわけ空乏層が形成される深さによって変化する。
【０００３】
この性質を利用して、複数の深さを有する受光素子（ｐｎ接合）を同一半導体層に形成し、それぞれが異なった波長領域の受光を行うカラーイメージセンサが提案されている（たとえば特許文献１参照）。図７はそのような素子の例である。すなわち、第１の導電型（たとえばｐ型）半導体基板１００に順番に異なる導電型を有する半導体層、すなわちｎウェル１０２、ｐウェル１０４、ｎ型領域１０６の３層を作り、それぞれの層間および最深層のｎウェル１０２とｐ型基板１００との間に逆方向電圧を印加しておくと、そのｐｎ接合部に空乏層が形成され、光が入射すると前述のようにキャリアが誘起されて電流が流れ、それぞれの電流を電流計１１４、１１２、１１０により検出することにより、表面近くから順番に青、緑、赤の色分離したセンサとしている。このｎ型領域１０６、ｐウェル１０４、ｎウェル１０２の深さは、それぞれ０.２μｍ、０.６μｍ、２μｍ程度に形成される。
【０００４】
また、シリコン半導体で作る照度センサでは、人の目による感度の波長依存性とシリコン素子の波長依存性が異なり、とりわけシリコン素子が赤外領域まで感度を有することから、受光素子面に人の眼の波長依存性に揃えるための光フィルタを有する素子が市販されている（たとえば非特許文献１参照）。さらには、赤外領域の感度を低減するため、２つの異なる深さのｐｎ接合を同一半導体層に作りそれぞれの検出電流を演算することで赤外光による感度を除去する照度センサも提案されている（たとえば特許文献２参照）。
【特許文献１】米国特許第５９６５８７５号明細書
【特許文献２】特開２００４−６６９４号公報
【非特許文献１】日経エレクトロニクス２００４年１０−１１号、５７〜６４頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記で示したカラーイメージセンサの例では、各ｐｎ接合ダイオードが異なる波長に感度のピークを有する以外に他の波長の光に対しても広く感度を有するために、イメージセンサとしては広い色域を表現できず、性能が悪いという問題を有している。また、赤外域や紫外域で人間の目に見えず本来感度が不要な領域の光にも反応する欠点がある。さらには、ある波長、たとえば赤外域に強い光があると、全てのセンサが飽和して、本来のイメージセンサとしての役目を果たさないことになるという問題もある。
【０００６】
さらに、最適な深さの不純物拡散を同一場所に精度よく作る必要があるが、従来のカラーイメージセンサでは、複数のｐｎ接合を作るため、半導体層の同一場所にｎ型ドーパントおよびｐ型ドーパントを交互に拡散して階段状にｐｎ接合を形成するため、製造工程が複雑であり、また、周辺部への光の侵入が感度の波長幅を広げてしまうので、遮光を充分に行う必要があることから、さらに製造工程を複雑にし、高価になるという問題がある。また、上記に示したシリコンで作るフィルタを用いた照度センサの場合、普通の集積回路工程の他にフィルタを受光部の上に作り込む工程が余計に必要で、製造コストが上がるという問題もある。
【０００７】
さらに、上記２つのｐｎダイオードを同一場所に縦方向に作り、演算することで赤外光の感度を除去する照度センサの場合、２つのダイオードの構造や導電型、不純物濃度の相違等のため、２つのダイオードの赤外光に対する感度が異なるために完全に演算で赤外光の影響を除くのが困難で、とくにチップ周囲からの周り込みなど感度特性が複雑に変化した場合に、特定の波長での感度をゼロにできないなど、特性に欠点がある。これを防ぐため、極端に赤外光側の出力を大きくして引き算すると、確かに一見赤外光側の感度がなくなったように見えるが、たとえば可視光に外乱として非常に強い赤外光が混じったような場合に、それが全体の出力を負側（マイナス（−）側）に引き込み、照度を測りたい本来の可視光の出力を減じてしまうという誤動作の問題もある。
【０００８】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、複数の受光素子による受光感度を同程度にし、かつ、不要な波長帯域の光強度をほぼ同じ状態にして演算回路で除去することにより、カラーイメージセンサや可視光の照度センサとし得るように所望の波長での光強度を正確に検出することができる受光素子を有する集積回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による半導体受光素子を有する集積回路は、基板と、該基板上に設けられるほぼ均一な厚さの第１導電型半導体層と、該第１導電型半導体層の異なる場所に、該第１導電型半導体層の表面から第２導電型領域が異なる深さで設けられることにより形成される複数個の受光用ｐｎ接合ダイオードと、前記基板上に形成され、前記複数のｐｎ接合ダイオードの検出電流を演算することにより前記異なる深さのｐｎ接合に対応する波長の光を検出する演算回路とを具備することを特徴としている。
【００１０】
前記複数の受光用ｐｎ接合ダイオードのｐｎ接合面積がほぼ等しくなるように形成されていることが、受光感度を均一化する点から好ましい。
【００１１】
さらに、前記複数の受光用ｐｎ接合ダイオードが、チップ周囲からの距離がほぼ同じ場所になるように形成されていることが、外乱要因の影響を小さくする点から好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の半導体受光素子を有する集積回路によれば、複数のｐｎ接合ダイオードを同じ半導体層の異なる場所に形成し、同じ半導体層に同じ導電型の不純物を導入し、複数のｐｎ接合ダイオードのその不純物の拡散深さを変えるだけで形成しているため、非常にダイオード特性を均一化することができる。しかも、複数のｐｎ接合ダイオードを異なる場所に形成しているため、それぞれのｐｎ接合の面積を全く同じ面積で形成することもできる。その結果、ダイオード特性を均一化することができ、浅いｐｎ接合の検出電流と深いｐｎ接合の検出電流を引き算することにより、半導体層の深さによる波長依存性を非常に正確に検出することができる。その結果、所望の波長の光の強度を正確に検出することができ、精度のよいカラーイメージセンサや照度センサを得ることができる。
【００１３】
すなわち、複数のｐｎ接合ダイオードはその接合深さが異なるので、逆方向電圧が印加されたときにできる空乏層の表面からの深さが異なる。一方、光は短波長ほど半導体層により減衰しやすいため、短波長の光は、接合が浅い空乏層ほど光電流が増加し、深いｐｎ接合では殆ど検出されない。それに対して、長波長の光は、ダイオードの構成が殆ど変らないため、浅いところのｐｎ接合と深いところのｐｎ接合とで波長依存性が殆ど変らない。とくに、複数の半導体受光素子の面積をほぼ同一にすれば、長波長側での迷光などによる影響は、複数のダイオード間でほぼ同じになる。さらに、チップ外周からの複数のｐｎ接合の位置をほぼ同一にすれば、チップ周囲から入射する迷光の影響もほぼ同一となる。そのため、これらの複数のダイオードの出力を、面積で割った上で、浅いダイオードの出力から深いダイオードの出力を減ずるような演算を行えば、長波長側の光による出力は概略ゼロになるのに対して、短波長側の光は殆ど変化しないため、短波長側の光による出力が得られ、短波長側に感度を有する光センサとして動作する。
【００１４】
前述のように、複数のダイオードの面積を同一にすれば、その出力をそのまま引き算すれば外乱要因の影響を殆ど受けなくすることができるが、面積による出力の差をファクタとして演算処理することにより補正すれば、面積を同一にする必要はない。すなわち、ｐｎ接合の面積が異なる場合には、設計段階でその面積の相違を把握することができ、それぞれのダイオードの出力を面積で割った上で、浅いダイオードの出力から深いダイオードの出力を減ずるような演算を行えば、ほぼ同一の効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体受光素子を有する集積回路について説明をする。本発明による半導体受光素子を有する集積回路は、図１にその一実施形態の半導体受光素子部分の断面説明図が示されるように、基板（たとえばｐ型の半導体基板１）上にほぼ均一な厚さの第１導電型半導体層（たとえばｎ型半導体層２）が設けられ、そのｎ型半導体層２の異なる場所に、ｎ型半導体層２の表面から複数個の第２導電型領域（たとえば第１、第２および第３のｐ型領域３１、３２、３３）がそれぞれ異なる深さで設けられることにより、たとえば第１、第２および第３の受光用ｐｎ接合ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３が形成されている。そして、図示されていないが、複数の受光用ｐｎ接合ダイオードＤ１〜Ｄ３の検出電流を演算することにより異なる深さのｐｎ接合に対応する波長の光を検出する演算回路が半導体基板１上に形成されている。
【００１６】
図１に示される例では、シリコン（Ｓｉ）からなるｐ型の半導体基板１上に、たとえばリン（Ｐ）が１×１０14ｃｍ-3程度ドープされたシリコンからなるｎ型半導体層２が５μｍ程度エピタキシャル成長されている。このｎ型半導体層２とｐ型の半導体基板１との境界部には、各ｐｎ接合ダイオードＤ１〜Ｄ３の下にそれぞれｎ+型の埋め込み層４１、４２、４３が形成され、さらに各ダイオードＤ１〜Ｄ３の境界部にｐ+型の素子分離領域５１、５２、５３がそれぞれ形成されている。そして、各ダイオードＤ１〜Ｄ３の形成場所に、たとえばボロン（Ｂ）などのｐ型不純物を拡散させることにより、第１〜第３のｐ型領域３１、３２、３３が形成されている。この第１〜第３のｐ型領域３１〜３３は、その拡散時間を変えることにより拡散深さを変え、たとえば第１のｐ型領域３１は０.１μｍ程度の深さに、第２のｐ型領域３２は１.５μｍ程度の深さに、第３のｐ型領域３３は、３μｍ程度の深さになるように、それぞれ形成されている。そして、この第１〜第３のｐ型領域３１〜３３にはそれぞれｐ+型のコンタクト領域３１ａ、３２ａ、３３ａが形成され、表面に設けられる絶縁膜８のコンタクト孔を介して第１の電極７１ａ、７２ａ、７３ａがそれぞれ形成され、前述の埋め込み層４１〜４３と接続するようにｎ型半導体層２の表面からｎ型不純物を拡散して形成されたｎ型接続領域６１、６２、６３の表面に第２の電極７１ｂ、７２ｂ、７３ｂがそれぞれ形成されている。
【００１７】
このｎ型半導体層２には、さらに図示しない拡散領域などが形成され、第１の受光用ｐｎ接合ダイオードＤ１の両電極７１ａと７１ｂ間に印加される電圧で、吸収する光により生じる電流と、たとえば第２の受光用ｐｎ接合ダイオードＤ２の光の吸収により生じる両電極７２ａ、７２ｂ間の電流との差を計算する演算回路が、たとえば図２に示されるような回路構成で形成されている。この演算回路は、２つの検出電流の差を求めるだけではなく、２つのダイオードのｐｎ接合の面積の違いなどにより生じる感度の違いを補正する補正回路などを作り込むこともできる。なお、図２において、Ｄ１、Ｄ２は、それぞれ第１および第２の受光用ｐｎ接合ダイオード、Ｉ１、Ｉ２は、それぞれ第１および第２のダイオードＤ１、Ｄ２の出力電流、Ｉoutは全体の出力電流、Ｑ１、Ｑ２はトランジスタ、Ｖccは電源で、差分の電流Ｉ１−Ｉ２が出力端子Ｏに出力されるようになっている。図２に示される例では、第１の受光用ｐｎ接合ダイオードＤ１および第２の受光用ｐｎ接合ダイオードＤ２の差分を求める回路のみが示されているが、同様の回路で第２および第３の受光用ｐｎ接合ダイオードＤ２とＤ３の差分を求めることにより、第２の受光用ｐｎ接合ダイオードの接合深さに応じた波長の光の強度を求めることができる。
【００１８】
このような受光用ｐｎ接合ダイオードを形成するには、ｐ型の半導体基板１の埋め込み層４１〜４３を形成する場所に、それぞれｎ型不純物をイオン注入などにより導入しておき、さらに素子分離領域５１〜５３を形成する場所にｐ型不純物を同様にイオン注入などにより導入しておき、その後にｎ型半導体層をエピタキシャル成長することにより埋め込み層５１〜５３および素子分離下部領域５１ａ、５２ａ、５３ａが形成され、その後に素子分離領域５１〜５３の形成場所にｐ型不純物を素子分離下部領域５１ａ〜５３ａに到達するように拡散させ、さらに埋め込み層４１〜４３と接続するためのｎ型接続領域６１〜６３の形成場所にｎ型不純物を埋め込み層４１〜４３に到達するように拡散させることにより、素子分離領域５１〜５３およびｎ型接続領域６１〜６３が形成される。その後、第３のｐ型領域３３の形成場所にｐ型不純物を導入して拡散させ、さらに第２のｐ型領域３２の形成場所にｐ型不純物を導入して拡散させ、ついで第１のｐ型領域３１の形成場所にｐ型不純物を導入して所定の深さになるように拡散する。
【００１９】
この際、第３および第２のｐ型領域３３、３２を形成するための拡散をする場合に、第２および第１のｐ型領域３２、３１を形成するための拡散の際にさらに拡散が進むため、その分を考慮して浅く拡散しておく必要がある。その後、各ｐ型領域３１〜３３のそれぞれの一部にｐ型不純物を拡散してコンタクト領域３１ａ〜３３ａを形成し、そのコンタクト領域３１ａ〜３３ａと接続して第１の電極７１ａ〜７３ａを、ｎ型接続領域６１〜６３と接続して第２の電極７１ｂ〜７３ｂを形成することにより、図１に示されるカラーイメージセンサが得られる。
【００２０】
つぎに、図１に示される構造のカラーイメージセンサの動作について説明をする。図１に示される第１〜第３の受光用ｐｎ接合ダイオードＤ１〜Ｄ３はその接合深さが前述のように異なっているため、第１〜第３のダイオードＤ１〜Ｄ３のそれぞれの受光感度の波長依存性は図３に示すようになる。すなわち、ｐｎ接合の接合深さが０.１μｍと一番浅い第１のダイオードＤ１の波長に対する光強度（電流）は、図３にＤ１で示されるように、波長の短い領域での感度がとくに大きく、全体的に一番強度が大きい。そして、接合深さが１.５μｍと深くなる第２のダイオードＤ２、接合深さが３μｍの第３のダイオードＤ３とだんだん光強度は弱くなる。これは、前述のように、光が半導体層を進むに連れて半導体層で吸収されて弱くなり、その吸収される割合は波長の短い光ほど吸収が大きく、波長の短い光は深い接合のダイオードまでは達しないことに起因している。
【００２１】
この第１のダイオードＤ１と第２のダイオードＤ２の出力の差を前述の演算回路により求めると、図４にＢで示されるように、約４２０ｎｍにピーク感度を有する青色センサとして働く。また、第２のダイオードＤ２の出力から第３のダイオードＤ３の出力を減ずれば、図４にＧで示されるように、約５３０ｎｍに感度のピークを有する緑色センサとして働く。さらに、第３のダイオードＤ３は、図４にＲで示されるように、約６２０ｎｍにピーク感度を有しているので、これは赤色センサとして働く。したがって、これによりカラーイメージセンサを構成することができる。なお、第１〜第３のダイオードの出力差を演算することで得たＲ、Ｇ、Ｂの間には感度の違いがあるが、設計段階で予めその相違により影響分が分るため、増幅器を用いてゲインを調整することができる。図４に示す特性は、ピーク電流値が同じになるように調整した特性である。また、各ダイオードでそのｐｎ接合の面積が異なる場合には、予めそれぞれの面積は分っているため、その面積で検出電流を割った値で演算することにより、簡単に、かつ、正確に求めることができる。
【００２２】
以上のように、本発明によれば、複数の受光用ｐｎ接合ダイオードを半導体層の異なる場所に形成しているため、半導体層の不純物濃度は全てのダイオードに共通であり、また、ｐｎ接合を形成するための第２導電型領域（ｐ型領域）の形成もほぼ同程度の不純物濃度で形成することができ、しかも、ｐｎ接合の面積をほぼ等しく形成することができるため、複数のダイオードは、その接合深さが異なるだけで、他のダイオード特性を殆ど合せ込むことができる。そのため、接合深さの異なる２つのダイオードの出力を演算回路で引き算をするだけで、その接合深さに応じた波長の光を正確に得ることができ、非常に簡単な演算回路で精度のよいカラーイメージセンサを得ることができる。
【００２３】
前述の例では、ダイオード構成の均一化のみについて述べたが、半導体チップ内でのダイオードが形成される場所によっても感度に影響を受ける場合が生じ得る。すなわち、受光用ｐｎ接合ダイオードは、その表面側からの光だけにより電流を発生させるのではなく、その横側から入射する光によっても電流が発生する。そのため、複数の受光用ｐｎ接合ダイオードの半導体チップ内に形成される場所によって、横側からの光が入射しやすい場所と、チップ内部に形成されて横側からの光が入射しにくい場所では、その受光感度が異なる。このような問題を解決するため、複数個のｐｎ接合ダイオードは、半導体チップの周囲からの距離が等しくなるように形成されることが演算時の誤差を最小にすることができるため好ましい。さらに、配線は光を遮断するため、配線のパターンにも影響を受ける場合があるので、各ダイオード表面に形成される配線パターンは同じ形状（同じ面積）になるように形成されることが同様の理由で好ましい。しかし、これらの要因は、予め設計で分る影響であるため、前述の演算回路で、演算前に増幅率を調整したり、ｐｎ接合面積の比率を調整することにより補正することはできる。
【００２４】
図５は、本発明の半導体受光素子を有する集積回路の他の実施形態を示す受光素子部分の断面説明図である。この例は、２個の受光用ｐｎ接合ダイオードからなる可視光の照度センサの例である。すなわち、この例は、前述と同様の基板１上のｎ型半導体層２に２つのｐ型領域３４、３５がそれぞれ拡散深さ１.５μｍと３μｍで形成され、２つのダイオードＤ４、Ｄ５が形成されているもので、他のコンタクト領域３４ａ、３５ａ、埋め込み層４４、４５、素子分離領域５４、５５、ｎ型接続領域６４、６５、第１の電極７４ａ、７５ａ、第２の電極７４ｂ、７５ｂなどの構成は図１に示される例と同じで、その説明を省略する。
【００２５】
この例では、図示しない演算回路で、第５のダイオードＤ５の出力を１.０５倍し、その値を第４のダイオードＤ４の出力から差し引くことにより赤外領域の感度をほぼゼロにしている。これは、視感度に対応した分光感度特性を得るためである。この第４のダイオードＤ４の出力から第５のダイオードＤ５の出力の１.０５倍したものを差し引いた結果は、図６に示されるように、約５００ｎｍに感度のピークを有し、赤外光には感度を有しない可視光照度センサとしての特性が得られた。なお、この場合も２つのｐｎ接合の面積は等しくし、さらに、２つのダイオードＤ４、Ｄ５が半導体チップ周囲から等距離になるような配置で形成した。さらに、配線のパターンも２つのダイオードで同じになるように形成した。しかし、前述の例と同様に、これらの要因は、必ずしもダイオードの形成により達成することができなくても、予めその違いの量がわかれば、演算回路でその相違分を補正することができる。
【００２６】
前述の各例では、半導体としてシリコンを用いて、可視光領域でのセンサとする例であったが、半導体をバンドギャップの異なる他の材料に変えることにより、容易に紫外域や赤外域で波長範囲を特定した受光素子を形成することができるのは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明によれば、高価なフィルタを半導体受光素子上に形成することなく、波長範囲の狭い受光素子を実現することができる。その結果、ＲＧＢ等の色を分けたカラーセンサであり、センサをアレイ状に並べることでカラーイメージセンサに応用することができる。また、他の応用例としては、たとえば人間の視感度に合せた照度センサとして用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による受光素子を有する集積回路の一実施形態であるカラーイメージセンサの受光素子部分の断面説明図である。
【図２】図１に示される受光素子を有する集積回路の演算回路の構成例を示す回路図である。
【図３】図１に示されるカラーイメージセンサの感度の波長依存性を示すグラフである。
【図４】図１に示されるカラーイメージセンサの受光用ｐｎ接合ダイオードの出力を演算回路で引き算した結果の各接合部での青、緑、赤の出力の波長依存性を示すグラフである。
【図５】本発明による受光素子を有する集積回路の他の実施形態である照度センサの受光素子部分の断面説明図である。
【図６】図５に示される照度センサの出力の波長依存性を示すグラフである。
【図７】従来のカラーイメージセンサの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１    ｐ型の半導体基板
２    ｎ型半導体層
３１〜３５    第１〜第５のｐ型領域
４１〜４５    埋め込み層
５１〜５５    素子分離領域
６１〜６５    ｎ型接続領域
７１ａ〜７５ａ    第１の電極
７１ｂ〜７５ｂ    第２の電極
Ｄ１〜Ｄ５    第１〜第５の受光用ｐｎ接合ダイオード
【図１】
2006245264.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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